生命体征技术：基于状态的人体监测

生命体征监测已经超越了医疗实践的界限，进入了我们日常生活的许多领域。最初，生命体征监测是在严格的医疗监督下在医院和诊所进行的。微电子技术的进步降低了监控系统的成本，使这些技术在远程医疗、体育、健身和健康、工作场所安全等领域以及越来越关注自动驾驶的汽车市场更容易获得和普及。尽管有这种扩展，但考虑到这些应用的健康相关性质，质量标准仍然很高。

生命体征

监测生命体征涉及测量一系列生理参数，这些参数可以指示个人的健康状况。心率是最常见的参数之一，可以通过心电图检测到，心电图测量心跳的频率，最重要的是测量其变化。心率的变化往往基于活动。在睡眠或休息期间，节律较慢，但在体力活动、情绪反应、压力或焦虑后往往会增加。

心率超出正常范围可能表明存在心动过缓（心率过低时）或心动过速（心率过高时）等疾病。呼吸是另一个关键的生命体征。血液的氧合水平可以使用称为光电容积脉搏波（SpO）的技术进行测量2).氧合不足可能与影响呼吸系统的疾病或紊乱的发作有关。其他可以提供一个人身体状况指示的生命体征测量是血压、体温和皮肤电导反应。皮肤电导反应，也称为皮肤电反应，与交感神经系统密切相关，而交感神经系统又直接参与情绪行为的调节。测量皮肤电导率可指示患者的压力、疲劳、精神状态和情绪反应。此外，测量身体成分、瘦体重和脂肪量的百分比以及水合作用和营养的程度可以清楚地表明一个人的临床状态。最后，测量运动和姿势可以提供有关受试者活动的有用信息。

测量生命体征的技术

为了监测心率、呼吸、血压和温度、皮肤电导率和身体成分等生命体征，需要各种传感器，解决方案必须紧凑、节能且可靠。生命体征监测包括：

光学测量

生物电势测量

阻抗测量

使用MEMS传感器进行测量

光学测量

光学测量超越了标准半导体技术。为了进行这种类型的测量，需要一个光学测量工具箱。图1显示了用于光学测量的典型信号链。需要光源（通常是LED）来产生光信号，该信号可能由不同的波长组成。多个波长的组合可实现更高的测量精度。还需要一系列硅或锗传感器（光电二极管）将光信号转换为电信号，也称为光电流。光电二极管必须以足够的灵敏度和线性度响应光源的波长。然后必须放大和转换光电流，因此需要一个高性能、高能效的多通道模拟前端，该前端可以控制LED，放大和滤波模拟信号，并以必要的分辨率和精度执行模数转换。

图1.用于光学测量的信号链。

光学系统的封装也起着至关重要的作用。该封装不仅是一个容器，而且是一个具有一个或多个光学窗口的系统，可以过滤出射光和入射光，而不会过度衰减或反射，从而可能损害信号的完整性。光学系统封装还必须容纳多个器件，包括LED、光电二极管以及模拟和数字处理芯片，以创建紧凑的多芯片系统。最后，能够创建滤光片的镀膜技术对于选择应用所需的光谱部分并消除不需要的信号也至关重要。即使暴露在阳光下，应用程序也必须正常运行。如果没有光学滤波器，信号的大小可能会使模拟链饱和，从而阻止电子设备正常工作。

ADI公司提供一系列光电二极管和各种模拟前端，能够处理从光电二极管接收到的信号并控制LED。还提供完整的光学系统，将LED、光电二极管和前端集成到单个器件中，例如ADPD188GG。

生物电势和生物阻抗测量

生物电势是由我们体内电化学活动的影响产生的电信号。生物电位测量的例子包括心电图 （ECG） 和脑电图。它们检测存在多个干扰源的频带中的非常低幅度的信号。因此，信号在处理之前必须被放大和滤波。ECG生物电位测量广泛用于生命体征监测，ADI公司为此提供了多种器件，包括AD8233、ADAS1000芯片系列和ADuCM3029。

AD8233专为可穿戴应用而设计，可与ADuCM3029（基于Cortex-M3技术的片上系统（SoC））结合使用，以创建完整的系统。此外，ADAS1000系列专为高端应用而设计，具有低能耗的特点。它特别适用于电池供电的便携式设备，并且在功率和噪声方面具有可扩展性（即，噪声水平可以随着功耗的成比例增加而降低），使其成为ECG系统的绝佳集成解决方案。?

生物阻抗是另一种测量方法，可以为我们提供有关我们身体状态的有用信息。阻抗测量提供有关我们的皮肤电活动、身体成分和水合作用状态的信息。每个参数都需要不同的测量技术。每个电极所需的电极数量和施加电极的点可能随着使用的频率范围而变化。

例如，在测量皮肤阻抗时使用低频（高达200 Hz），而对于人体成分，通常使用50 kHz的固定频率。同样，使用不同的频率来测量水合作用并正确评估细胞内和细胞外液。

虽然技术可能有所不同，但单个前端AD5940可用于所有生物阻抗和阻抗测量。该器件提供激励信号和完整的阻抗测量链。可以生成各种频率以满足多种测量要求。此外，AD5940设计用于与AD8233配合使用，以创建全面的生物阻抗和生物电位读取系统，如图2所示。其他阻抗测量器件包括ADuCM35x系列SoC解决方案，除专用模拟前端外，还提供Cortex-M3微控制器、存储器、硬件加速器以及用于电化学传感器和生物传感器的通信外设。

图2.具有生物电势和生物阻抗测量功能的完整生物电系统。

使用MEMS传感器进行运动测量

由于MEMS传感器可以检测重力加速度，因此它们可用于检测活动和异常情况，例如步态不稳，跌倒或脑震荡，甚至可以监测受试者静止时的姿势。此外，MEMS传感器可用于补充光学传感器，因为这些传感器会受到运动伪影的影响;发生这种情况时，来自加速度计的信息可用于进行校正。ADXL362是医疗领域最受欢迎的器件之一，是市场上能耗最低的3轴加速度计。它的特点是可编程测量范围从2 g到8 g和一个数字输出。

ADPD4000： 通用模拟前端

目前市场上的可穿戴设备，如智能手环和智能手表，具有各种监测生命体征的功能。其中最常见的是心率监测器、计步器和卡路里计数器。还经常测量血压和体温，以及皮肤电活动、血容量变化（通过光电容积描记法）和其他指标。随着监控选项数量的增加，对高度集成的电子元件的需求也在增加。ADPD4000具有极其灵活的架构，旨在帮助设计人员满足这一需求。除了提供生物电势和生物阻抗读数外，它还可以管理光度前端、导频 LED 和读取光电二极管。ADPD4000配备用于补偿的温度传感器和开关矩阵，可以导频必要的输出并采集单端或差分电压信号的信号。输出是可选的，可以是单端或差分，具体取决于ADPD4000所连接的ADC的输入要求。该设备可以编程12个不同的时间带，每个时间带专用于处理特定的传感器。图3总结了ADPD4000在几个典型应用中的关键特性。

图3.ADPD4000 用于光度、生物电势、生物阻抗和温度测量。

结论

随着技术的进步，生命体征监测将在各个行业和我们的日常生活中变得越来越普遍。无论是用于治疗还是预防，这种与健康相关的解决方案都需要可靠和强大的技术。在ADI公司致力于信号处理的丰富产品组合中，生命体征监测系统的设计人员将找到一系列解决方案来应对他们面临的设计挑战。

审核编辑：郭婷